- Característiques
- Calculant l'energia potencial
- el soroll
- usos
- Algunes aplicacions de l'energia acústica
- avantatges
- desavantatges
- Absorció del so en els materials
- Exemples d'energia sonora
- exercici resolt
- solució
- referències
La energia sonora o acústica és aquella que transporten les ones sonores quan es propaguen en un medi, que pot ser un gas com l'aire, un líquid o un sòlid. Els éssers humans i molts animals se serveixen de l'energia acústica per relacionar-se amb el medi.
Per a això disposen d'òrgans especialitzats, per exemple les cordes vocals, capaços de produir vibracions. Aquestes vibracions es transporten en l'aire per arribar a altres òrgans especialitzats encarregats de la seva interpretació.
L'energia acústica es tradueix en música a través del so de l'clarinet. Font: Pixabay
Les vibracions causen compressions i expansions successives en l'aire o el medi que envolta la font, les quals van propagant amb certa velocitat. No són les partícules les que viatgen, sinó que es limiten a oscil·lar respecte a la seva posició d'equilibri. La pertorbació és el que es transmet.
Ara bé, com és sabut, els objectes que es mouen posseeixen energia. Així, també les ones a mesura que viatgen en el medi porten amb si l'energia associada a el moviment de les partícules (energia cinètica), i també l'energia que intrínsecament posseeix aquest mitjà, coneguda com a energia potencial.
Característiques
Com és sabut, els objectes que es mouen posseeixen energia. Així també les ones a mesura que viatgen al mig, porten amb si l'energia associada a el moviment de les partícules (energia cinètica) i també l'energia de deformació de l'mitjà o energia potencial.
Suposant una porció molt petita de l'mig, el qual pot ser l'aire, cada partícula amb velocitat u, té energia cinètica K donada per:
A més, la partícula té energia potencial U que depèn de el canvi de volum que experimenta, sent Vo el volum inicial, V el volum final ip la pressió, la qual depèn de la posició i de el temps:
El signe negatiu indica un augment en l'energia potencial, ja que l'ona a l'propagar fa treball sobre l'element de volum dV a l'comprimir-lo, gràcies a una pressió acústica positiva.
La massa de l'element de fluid en termes de la densitat inicial ρ o i el volum inicial V o és:
I com la massa es conserva (principi de conservació de la massa):
Per tant l'energia total queda així:
Calculant l'energia potencial
La integral es pot resoldre amb ajuda de el principi de la conservació de la massa
La derivada d'una constant és 0, de manera que (ρ V) '= 0. Per tant:
Isaac Newton va determinar que:
(dp / dρ) = c 2
On c representa la velocitat del so en el fluid en qüestió. A l'substituir l'anterior en la integral s'obté l'energia potencial de l'mitjà:
Si A p i A v són les amplituds de l'ona de pressió i velocitat respectivament, l'energia mitjana ε de l'ona sonora és:
Es pot caracteritzar el so per una magnitud anomenada intensitat.
La intensitat del so es defineix com l'energia que passa en un segon a través de la unitat de superfície que es troba perpendicular a la direcció de propagació del so.
Com l'energia per unitat de temps és la potència P, la intensitat del so I es pot expressar com:
Cada tipus d'ona sonora té una freqüència característica i és portadora d'una certa energia. Tot això determina el seu comportament acústic. Com el so és tan important per a la vida humana, els tipus de sons es classifiquen en tres grans grups, d'acord a el rang de freqüències audibles per als humans:
- infrasò, la freqüència és menor a 20 Hz.
- Espectre audible, amb freqüències que van des dels 20 Hz fins als 20.000 Hz.
- Ultrasò, amb freqüències majors a 20.000 Hz.
El to d'un so, és a dir, si és agut, greu o mitjà, depèn de la freqüència. Les freqüències més baixes són interpretades com sons greus, aproximadament entre 20 i 400 Hz.
Les freqüències entre 400 i 1600 Hz es consideren com tons mitjans, mentre que els aguts van des de 1600 fins a 20.000 Hz. El sons aguts són lleugers i penetrants, mentre que els baixos són percebuts com més profunds i ressonants.
Els sons que s'escolten diàriament són complexes superposicions de sons amb diverses freqüències pròximes.
El so posseeix altres qualitats a part de la freqüència, que poden servir com a criteris per a la seva classificació. Exemple d'ells són el timbre, la durada i la intensitat.
El equalitzador consisteix en filtres que eliminen soroll i realcen certes freqüències per millorar la qualitat del so. Font: Pixabay.
el soroll
També és important fer la distinció entre els sons desitjats i els no desitjats o soroll. Com que sempre es busca eliminar el soroll, es classifica a aquest segons la intensitat i el període en:
- Soroll continu.
- Soroll fluctuant.
- Soroll impulsiu.
O per colors, vinculat a la seva freqüència:
- Soroll rosa (semblant a un "shhhhhh").
- Soroll blanc (semblant a un "psssssss").
- Soroll marró (per Robert Brown, el descobridor de el moviment brownià, és un soroll que afavoreix molt les freqüències baixes).
usos
L'ús que se li doni a l'energia acústica depèn de el tipus d'ona sonora que es faci servir. En el rang de les ones audibles, l'ús universal de el so és permetre la comunicació propera, no solament entre persones, ja que els animals també es comuniquen emetent sons.
Els sons són versàtils. Cadascun difereix segons la font que l'emet. D'aquesta manera la varietat de sons en la naturalesa és infinita: cada veu humana és diferent, així com els sons característics que les espècies animals utilitzen per comunicar-se entre si.
Molts animals utilitzen l'energia del so per ubicar-se en l'espai i també per capturar les seves preses. Emeten senyals acústics i tenen òrgans receptors que analitzen els senyals reflectides. D'aquesta manera obtenen informació sobre les distàncies.
Els éssers humans no tenen els òrgans necessaris per a utilitzar l'energia sònica d'aquesta forma. No obstant això han creat dispositius d'orientació com el sonar, basats en aquests mateixos principis, per facilitar la navegació.
D'altra banda, els ultrasons són ones sonores les aplicacions són ben conegudes. En medicina les fa servir per obtenir imatges de l'interior de el cos humà. També formen part de el tractament d'algunes afeccions com lumbàlgia i tendinitis.
Algunes aplicacions de l'energia acústica
- Amb ultrasons d'alta energia poden destruir les pedres o càlculs que es formen als ronyons ia la vesícula a causa de la precipitació de sals minerals en aquests òrgans.
- En geofísica s'utilitzen els ultrasons com a mètodes de prospecció. Els seus principis són semblants als dels mètodes sísmics. Es poden utilitzar en aplicacions que van des de determinar la forma de l'relleu oceànic fins testimonis per calcular els mòduls elàstics.
- En tecnologia d'aliments s'empren per eliminar microorganismes resistents a les altes temperatures, així com per millorar algunes textures i qualitats dels aliments.
avantatges
L'energia acústica té avantatges que es deuen en bona part al seu escàs abast. Per exemple, no és costosa de produir i no genera residus químics o d'altres tipus, ja que es dissipa en el medi ràpidament.
Pel que fa a les fonts d'energia acústica, són nombroses. Qualsevol objecte capaç de vibrar pot esdevenir una font de so.
Quan la hi utilitza en aplicacions mèdiques, per exemple l'obtenció d'imatges mitjançant ecografia, té l'avantatge de no emprar radiació ionitzant, com els raigs xo la tomografia. És un fet que la radiació ionitzant pot causar dany cel·lular.
La seva ocupació tampoc requereix de les mesures de protecció que es necessiten quan s'apliquen radiacions ionitzants. Els equips també són més barats.
Així mateix, l'energia ultrasònica és un mètode no invasiu per eliminar els esmentats càlculs renals i biliars, evitant d'aquesta manera procediments quirúrgics.
En principi no genera contaminació ni en l'aire ni en les aigües. Però se sap que sí que hi ha contaminació acústica en els mars, a causa d'activitats humanes com pesca intensiva, prospecció geofísica i transport.
desavantatges
És difícil pensar en els desavantatges que un fenomen tan natural com el so pugui tenir.
Una de les poques és que els sons de gran intensitat poden danyar l'estructura de l'timpà, i amb el temps fer que les persones contínuament exposades perdin la seva sensibilitat.
Els ambients molt sorollosos acaben per causar estrès i molèsties a les persones. Un altre desavantatge és potser el fet que l'energia acústica no serveix per moure objectes, sent molt difícil aprofitar les vibracions per afectar objectes sòlids.
Això es deu al fet que el so sempre requereix de l'existència d'un mitjà per poder propagar-se, i per això s'atenua amb facilitat. És a dir, l'energia sonora s'absorbeix en el mitjà més ràpidament que la d'altres tipus d'ones, per exemple les electromagnètiques.
Per aquesta raó l'energia de les ones sonores és relativament de curt abast en l'aire. El so és absorbit per estructures i objectes a mesura que es propaga, i la seva energia va dissipant paulatinament en calor.
Per descomptat, això està relacionat amb la conservació de l'energia: l'energia no es destrueix però canvia de forma. Les vibracions de les molècules en l'aire no només es transformen en canvis de pressió que donen lloc a el so. Les vibracions també donen origen a la calor.
Absorció del so en els materials
Quan les ones sonores incideixen sobre un material com una paret de maons, per exemple, una part de l'energia és reflectida. Una altra part és dissipada en calor, gràcies a la vibració molecular tant de l'aire com de l'material; i finalment la fracció restant travessa el material.
Així, les ones sonores poden reflectir de la mateixa manera com ho fa la llum. A la reflexió del so se li coneix com "eco". Com més rígida i uniforme és la superfície, major capacitat per reflectir té.
De fet, hi ha superfícies que són capaços de produir múltiples reflexions trucades reverberacions. Usualment això passa en espais petits i s'evita col·locant material aïllants, perquè d'aquesta manera, les ones emeses i les reflectides no se superposen dificultant l'audició.
Durant tota la seva propagació, l'ona acústica experimentarà totes aquestes successives pèrdues fins que finalment l'energia sigui absorbida completament en el medi. La qual cosa vol dir que s'ha transformat en energia calòrica.
Hi ha una magnitud per quantificar la capacitat d'un material per absorbir el so. Es diu coeficient d'absorció. Se li denota com α, i és la raó entre l'energia absorbida I abs i l'energia incident E inc, totes referides a el material en qüestió. S'expressa matemàticament així:
α = I abs / E inc
El valor màxim de α és 1 (absorbeix completament el so) i el mínim és 0 (deixa passar tot el so).
El so pot ser un desavantatge en moltes ocasions en què es prefereix el silenci. Per exemple, als cotxes se'ls s'instal·len silenciadors per tal d'esmorteir els sorolls de l'motor. A altres dispositius com bombes d'aigua i plantes elèctriques també.
L'aïllament acústic és important en un estudi de gravació. Font: Pixabay.
Exemples d'energia sonora
L'energia sonora es troba per tot arreu. Heus aquí un exemple senzill que il·lustren les propietats de el so i la seva energia des del punt de vista quantitatiu.
exercici resolt
Una agulla de 0,1 g de massa cau des d'una altura de 1m. Assumint que el 0,05% de la seva energia es converteix en un pols sonor de durada 0.1 s, estimar quina és la distància màxima a la qual pot escoltar-se la caiguda de l'agulla. Prendre com intensitat sonora mínima audible 10 -8 W / m 2.
solució
Es farà servir l'equació donada anteriorment per a la intensitat del so:
Una bona pregunta és d'on prové l'energia del so en aquest cas, aquesta la intensitat detecta l'oïda humana.
La resposta està en l'energia potencial gravitatòria. Justament perquè l'agulla cau de certa altura, a la qual tenia energia potencial, a mesura que cau transforma aquesta energia en energia cinètica.
I un cop que impacta a terra, l'energia es transfereix a les molècules d'aire que envolten a el lloc de la caiguda, el que dóna origen a el so.
L'energia potencial gravitatòria U és:
On m és la massa de l'agulla, g és l'acceleració de gravetat i h és l'altura des de la qual va caure. Substituint aquests valors numèrics, no sense abans realitzar les corresponents conversions en el Sistema Internacional d'unitats, es té:
O = 0.1 x 10 -3 x 9.8 x 1 J = 0,00098 J
L'enunciat diu que d'aquesta energia, només el 0,05% es transforma per donar lloc a el pols sonor, és a dir, a la dringadissa de l'agulla quan xoca contra el pis. Per tant l'energia sonora és:
I so = 4.9 x 10 -7 J
De l'equació de la intensitat es buida el radi R i es substitueixen els valors de l'energia del so I so i el temps que va durar el pols: 0.1 s d'acord a l'enunciat.
Per tant la distància màxima a la qual serà audible la caiguda de l'agulla és de 6.24 ma la rodona.
referències
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sixth Edition. Prentice Hall. 332-359.
- Kinsler, L. (2000). Fundamentals of Acoustic. 4th Ed. Wiley & Sons. 124-125.